25-ma‘ruza. Mavzu: Oddiy differensial tenglamalar Reja
Download 390.15 Kb. Pdf ko'rish
|
differensial tenglamalar
- Bu sahifa navigatsiya:
- 2. Birinchi tartibli differensial tenglamalar
- 2.1- ta’rif.
- 2.5.-ta’rif.
- 3. Birinchi tartibli oddiy differensial tenglama uchun Koshi masalasining qо‘yilishi
25-ma‘ruza. Mavzu: Oddiy differensial tenglamalar Reja: 1. Differensial tenglamaga olib keluvchi ba’zi bir masalalar 2. Birinchi tartibli differensial tenglamalar 3. Birinchi tartibli oddiy differensial tenglama uchun Koshi masalasining qо‘yilishi 4. Tо‘liq differensialli tenglama 5. O’zgaruvchilari ajraladigan oddiy differensial tenglama 6. Birjinsli oddiy differensial tenglama 7. Birinchi tartibli chiziqli oddiy differensial tenglamalar 8. Bernulli tenglamasi 9. Lagranj tenglamasi
differensial tenglama, tо‘liq differensialli tenglama, o’zgaruvchilari ajraladigan oddiy differensial tenglama, birjinsli oddiy differensial tenglama, birinchi tartibli chiziqli oddiy differensial tenglamalar, Bernulli tenglamasi, Lagranj tenglamasi 1. Differensial tenglamaga olib keluvchi ba’zi bir masalalar Differensial tenglamalarga olib keladigan masalalarning kо‘pchiligi mexanika va geometriyaga oiddir.
Ta’sir etuvchi kuchlar ma’lum bо‘lganda moddiy nuqtaning harakat qonunini aniqlash nuqta dinamikasining klassik masalasi hisoblanadi. Bu holda, Nyutоnning ikkinchi qonuni differensial tenglamaga olib keladi. Ta’sir etuvchi kuchlarga qarab, har xil tipdagi tenglamalar hosil bо‘ladi. Shunga о‘xshash masalalardan eng soddalarini kо‘raylik: 1-masala. Massasi m bо‘lgan moddiy nuqta og‘irlik kuchi ta’sirida erkin tushmoqda. Nuqtaning harakat qonunini havoning qarshiligini hisobga olmasdan toping.
olaylik. Undagi nuqtaning M vaziyati t vaqtga bog‘liq ravishda о‘zgaradi va
Nyutоnning 2-qonuni F=ma bilan aniqlanishi bizga ma’lum, bu yerda m – moddiy nuqta massasi, a tezlanishi, F esa unga ta’sir etuvchi kuch.
Masala shartiga kо‘ra moddiy nuqtaga faqat og‘irlik kuchi P ta’sir etadi. Demak, F=P=mg bu yerda g–erkin tushish tezlanishi о‘zgarmas miqdor. a tezlanish S yо‘ldan t vaqt bо‘yicha olingan ikkinchi tartibli hosilaga teng bо‘lgani uchun
g dt S d mg dt S d m 2 2 2 2
(1) ga ega bо‘lasiz. Bu oxirgi munosabat noma’lum S=S(t) funksiyaning 2-tartibli hosilasi qatnashgan tenglamadir. Bizga malumki dt dS = - moddiy nuqta tezligidan iboratdir. Buni hisobga olsak, (1) ni g dt d kо‘rinishga keltirish mumkin. Oxirgi tenglamadan, о‘ng tomondagi g о‘zgarmas bо‘lganligi sababli,
1
(2) ekanligi kelib chiqadi, bu yerda C 1 qandaydir о‘zgarmasdir. Demak, 1
bо‘lib, bundan S о‘ng tomondagi funksiyaning boshlang‘ich funksiyasi ekanligi kelib chiqadi va 2 1 2 2 1 C t C gt S
(3) ni olamiz. Bu yerda C 1 va C
2 lar qandaydir о‘zgarmaslar bо‘lib, ular moddiy nuqtaning boshlang‘ich holatiga bog‘liqdir.
Demak, oxirgi tenglama moddiy nuqtaning izlanayotgan harakat qonunini beradi. Olingan (3) formulada hozircha noma’lum bо‘lgan ikkita о‘zgarmaslar ishtirok etmoqda, biroq nuqtaning boshlang‘ich vaziyatini va boshlang‘ich tezligini bilgan holda bu о‘zgarmaslarni aniqlash mumkin. Aytaylik, boshlang‘ich paytda (t=0 da) M 0 moddiy nuqtaning tezligi
boshidan masofasi S 0 ga teng bо‘lsin deylik. dt dS tezlik ni ifodalagani uchun (2) munsabatdan C
ni (14.1.3) dan esa C
ni aniqlash mumkin. Natijada izlanayotgan moddiy nuqtaning harakat qonuni
0 2 2 1 S t gt S j
kо‘rinishni oladi.
Shunday qilib, yuqorida kо‘rilgan masalani yechish jarayonida tarkibida nama’lum funksiyaning qandaydir tartibli hosilasi qatnashgan tenglamalarga duch keldik. Bunday tenglamalarni differensial tenglamalar deyiladi. 2. Birinchi tartibli differensial tenglamalar Tabiatda va texnikada uchraydigan kо‘plab hodisa yoki jarayonlarni tavsiflovchi noma’lum funknsiyalar va ularning hosilalarini о‘zaro bog‘lovchi munosabatlar ma’lum bо‘lganda masala bu funksiyalarni topishga keltiriladi. 2.1- ta’rif. Tarkibida noma’lum funksiyaning ma’lum tartibligicha hosilalari (yoki differensiallari) qatnashgan tenglamaga differensial tenglama deyiladi.
Agar noma’lum funksiya bir argumentli bо‘lsa, tegishli differensial tenglamani oddiy differensial tenglama, kо‘p argumentli bо‘lganda xususiy hosilali differensial tenglama deyiladi. 2.2-ta’rif. Differensial tenglamaning tartibi deb, uning tarkibiga kirgan noma’lum funksiya hosilasining (differensialining) eng yuqori tartibiga aytiladi. Oldingi bandda kо‘rilgan 1-masala ikkinchi tartibli, 3-masala esa birinchi tartibli oddiy differensial tenglamalardan iboratdir. U yerda kо‘rilgan 2-masala ham aslida ikkinchi tartibli oddiy differensial tenglama bо‘lib, uni yechish jarayoni ketma-ket ikkita birinchi tartibli oddiy differensial tenglamalarni yechish orqali amalga oshirildi. Bu bobda asosan birinchi tartibli oddiy differensial tenglama ustida ish olib boramiz. Birinchi tartibli oddiy differensial tenglamaning umumiy kо‘rinishi quyidagicha yozish mumkin:
(1) Bu yerda x erkli о‘zgaruvchi, y noma’lum funksiya, dx dy y uning hosilasi, F esa uch о‘zgaruvchining berilgan funksiyasi. Agar (1) tenglamani y ga nisbatan yechish mumkin bо‘lsa, u holda quyidagiga ega bо‘lamiz: ) , ( y x f dx dy ,
(2.) bu tenglamani f(x,y)dx-dy=0 kо‘rinishda yozish mumkin. P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0 shaklda yozilgan tenglama ham birinchi tartibli differensial tenglamadir. Bu bandda (14.2.2) kо‘rinishdagi tenglamani tekshirish bilan kifoyalanamiz. Differensial tenglamaning yechimini ta’riflashdan avval ba’zi bir belgilashlarni kelishib olaylik:
tо‘plami; G uch о‘lchovli Dekart koordinatalar sistemasidagi (ya’ni fazodagi) nuqtalarning biror tо‘plami bо‘lsin. Aytaylik, F(x,y,z
aniqlangan bо‘lsin. 2.3-ta’rif. Agar y=
bо‘lib,
J (x; (x)) D va )) ( ; ( ) ( x x f dx x d о‘rinli bо‘lsa, bu funksiya (2) differensial tenglamaning yechimi (yoki integrali) deyiladi. y=
2.4-ta’rif. Agar ixtiyoriy c parametrga bog‘liq bо‘lgan va J oraliqda aniqlangan y=
differensial tenglamani qanoatlantirsa, uni shu differensial tenglamaning umumiy yechimi yoki umumiy integrali deyiladi. Ba’zi hollarda differensial tenglamaning umumiy yechimini
oshkormas kо‘rinishda ham ifodalanadi. Differensial tenglamaning umumiy yechimidagi c ning qabul qilishi mumkin bо‘lgan har bir tayinlangan qiymatiga mos keluvchi yechim uning xususiy yechimi deyiladi. 2.5.-ta’rif. Berilgan (2) differensial tenglamaning y=
yechimidan c о‘zgarmasning hech qanday qiymatida ham hosil qilib bо‘lmaydigan yechimi mavjud bо‘lsa, uni maxsus yechim deb ataladi.
Differensial tenglamaning barcha yechimlarini topish jarayoni uni integrallash deb yuritiladi.
2 4
y y x y Differensial tenglamani qaraylik. Agar C ixtiyoriy о‘zgsharmas son bо‘lsa, 2 4 1 c cx y
(3)
funksiya berilgan tenglama uchun umumuiy yechim bо‘ladi. Haqiqatdan ham (3) dan y ni topib, berilgan tenglamaga qо‘yib, 2 2 4 1 4 1 c cx c cx
ayniyatga ega bо‘lamiz. c=2 bо‘lganda (3) umumiy yechimdan y=2x-1 bitta xusuiy yechimni hosil qilamiz.
2 funksiya ham berilgan tenglamani ayniyatga aylantiradi, lekin bu funksiya maxsus yechimdir. Chunki bu yechimni c ning hech qanday qiymatida (3) dan hosil qilib bо‘lmaydi. 1.-rasmda berilgan differensial tengnlamaning xususiy va maxsus yechimlariga mos keluvchi integral chiziqlar tasvirlangan.
1-rasm.
2-rasm. Kezi kelganda, maxsus yechimga mos keluvchi integral egri chiziqning har bir nuqtasi orqali shu maxsus yechim integral egri chiziqlidan boshqa uning yana birorta xususiy yechimiga mos integral egri chiziqli ham о‘tishini aytamiz. Aksariyat hollarda, agar oddiy differensial tenglamaning maxsus yechimi mavjud bо‘lsa, uning xususiy yechimiga mos chiziq biror nuqtada maxsus yechimga mos
О -1
1 x y y=x 2 y=2x-1 О
y y=
(x) y=
(x) chiziqqa urinadi. Shu sababli maxsus yechimga mos chiziqni xususiy yechimlarga mos chiziqlar oilasining о‘ramasi deyiladi. Yuqorida keltirilgan misolda berilgan tenglamaning umumiy integral chiziqlari bо‘lgan (3) tenglama bilan aniqlangan tо‘g‘ri chiziqlarning barchasi maxsus yechimga mos keluvchi y=x
parabolaga tegishli biror nuqtada urinadi (1-rasmga qarang). (2) differensial tenglama berilgan bо‘lib, y=
Tо‘g‘ri burchakli Dekart koordinatalar sistemasi kiritilgan tekislikda y=
chiziqning har bir (x,y) nuqtasiga о‘tkazilgan urinmaning burchak kоeffitsienti k uchun k=f(x,y), (x, y)
yо‘nalishi deb shu nuqtadagi urinmasining burchak kоeffitsientini qabul qiliniladi. Shunday qilib, y=
yechish bilan ekvivalentdir. Qandaydir D sohaning har bir nuqtasiga о‘tkazilgan yо‘nalish berilgan bо‘lib, shu yо‘nalishlarga mos keluvchi egri chiziqni topish talab qilinadi. Agar f(x,y) funksiya D sohada uzluksiz bо‘lsa, u holda bu yо‘nalishlar qо‘yilgan masalaning yechimidan iborat bо‘lgan y=
nuqtalar bо‘yicha uzluksiz о‘zgarib boradi va chiziqning burchak kоeffitsienti k=f(x,
Shunday qilib, (2) differensial tenglama D sohada yо‘nalishlar tо‘plami yoki, boshqacha qilib aytganda, yо‘nalishlar maydonini aniqlanadi. Agar sohaning har bir nuqtasidagi yо‘nalishni bu nuqtadan chiquvchi kichik kо‘rsatkich bilan belgilasak, (2) differensial tenglamaning yо‘nalishlar maydonini tasvirlash mumkin (3-rasm). Demak, (2.) differensial tenglamani integrallash masalasi geometrik jihatdan о‘zining har bir nuqtasida yо‘nalishlar maydoni beradigan yо‘nalishga urinadigan egri chiziqni topishdan iboratdir. Oddiy differensial tenglamani integrallash masalasi, geometrik ma’noda, tekislikdagi berilgan yо‘nalishlar maydoni bо‘yicha integral egri chiziqni izlash masalasi bilan aynan bir xildir. Differensial tenglamaning umumiy yechimi chekli sondagi integrallar yoki elementar funksiyalar orqali ifodalash mumkin bо‘lsa, uni kvadraturalarda integrallanuvchi yoxud chekli kо‘rinishda integrallanuvchi deb yuritiladi.
Agar differensial tenglamaning umumiy yechimini elementar funksiya orqali ifodalash mumkin bо‘lsa, uni elementar funksiyalarda integrallanadigan deyiladi.
Differensial tenglamalar nazariyasining asosiy masalasi berilgan tenglamaning barcha yechimlarini topish va bu yechimlarning xususiyatlarini о‘rganishdan iboratdir. 3. Birinchi tartibli oddiy differensial tenglama uchun Koshi masalasining qо‘yilishi
Aytaylik, ) , ( y x f dx dy
(1) tenglamaning о‘ng tomoni f(x,y) funksiya biror ikki о‘lchovli D bog‘liq sohada aniqlangan va uzluksiz bо‘lsin.
Bu yerda x 0 nuqtani о‘z ichiga oladigan, Ox о‘qda joylashgan biror J intervalda aniqlangan, uzluksiz differensiallanuvchi hamda ushbu
b)
c) u 0 =
0 ), (x 0 , u 0 )
shartlarni qanoatlantiruvchi y=
masala qisqacha. ) 3 ( ) 2 ( ), , ( 0 0
y y x f dy dx x x
kabi yoziladi va Koshi masalasi (yoki boshlang‘ich masala) deb ataladi. Yuqoridagi a),b), c) shartlarni qanoatlantiradigan
x y funksiya Koshi maslalasining yechimi deyiladi.
Bu masala geometrik nuqtai nazardan quyidagicha talqin etiladi: Koshi maslalasining yechimini topish, (14.3.1) tenglamaning (x 0 , y 0 )
nuqtadan о‘tadigan integral egri chizig‘ini topishdan iboratdir. Bunday egri chiziq mavjud bо‘lmasligi, agar mavjud bо‘lsa, u yagona va bir nechta xatto cheksiz kо‘p bо‘lishi ham mumkin. Buni misollarda kо‘rsatamiz:
1 ) 2 ln ( , y e dx dy x Koshi masalasini kо‘raylik. Berilgan tenglama uchun umumiy yechim formulasi
(1 -rasm) ma’lum, shuning uchun boshlang‘ich shartdan foydalanib, c ning mos qiymatini topamiz: 2 3
1 2 ln c c e
demak, yuqorida qо‘yilgan Koshi masalasining yechimini beradigan integral egri chiziq tenglamasi 2 3
e y ekan.
Faraz qilaylik, F(x,y,c) uch о‘zgaruvchili funksiya (x,y)
2 ikki
о‘lchovli soha va c
0 oraliq tо‘g‘ri Dekart kо‘paytmasidan iborat bо‘lgan G=D 2
0 ={(x,y,c):( x,y)
2 , c
0 } uch о‘lchovli sohada aniqlangan va uzluksiz differensialanuvchi funksiya bо‘lsin.
U holda F(x,y,c)=0
(4)
tenglama c ning har bir tayinlangan c
0 qiymatida koordinatalar tekisligida qandaydir chiziqni aniqlashi ma’lumdir. c parametrning C
sohaga tegishli qiymatlarida (14.3.4) tenglama koordinatalar tekisligida turli chiziqlarni tasvirlashi ravshandir. Umuman olganda c
sohadan olingan qiymatlar bо‘yicha egri chiziqlarning qandaydir tо‘plamiga ega bо‘lamiz. Bu tо‘plam (4) tenglama vositasida c parametr bо‘yicha olingan chiziqlar oilasi deb yuritiladi. Yuqorida y
(5)
birinchi tartibli differensial tenglamaning umumiy yechimi bitta c ixtiyoriy о‘zgarmasga bog‘liq bо‘lishi va uning qabul qilishi mumkin bо‘lgan har bir tayin qiymatiga (5) kо‘rinishda ifodalangan deb faraz qilish mumkin. Demak, (5) differensial tenglamani yechish, geometrik nuqtai nazarda, tenglamasi shu (5)ni qanoatlantiradigan chiziqlar oilasini topishdan iborat ekan.
Endi teskari masalani, ya’ni (4) tenglama vositasida C parametrga bog‘liq bо‘lgan chiziqlar oilasi berilgan bо‘lsa, unga mos keluvchi (5) differensial tenglamani topishni kо‘raylik. Buning uchun (4) da c ning qiymati tayinlangan va undan y о‘zgaruvchi x ning funksiyasi sifatida aniqlanib, yana о‘rniga qо‘yilgan deb faraz qilinsa (buning uchun F(x,y,c) funksiya oshkormas funksiyaning mavjudligi shartlarini qanoatlantirishi talab qilinadi. 13.18- bandga qarang),bu tenglama ayniyatdan iborat bо‘lib qoladi va uni differensiallab, 0
y ф x ф
(6) ni olamiz. Endi (4) ni c parametrga nisbatan yechib olingan ifodani (6) ga qо‘yib, undagi c parametrni yо‘qotib, (5) kо‘rinishni olish mumkin.
Masalan, y=c x 2 chiziqlar oilasini qarasak, ular 3-rasmda ifodalangan parabolalardan iboratdir.
3 –rasm. c tayinlangan deb faraz qilib, bu tenglamani differensiallab, y
ni olamiz. Berilgan tenglamadan 2
y c (x 0) ni olib uni oxirgiga qо‘ysak, x y y 2
(7) differensial tenglamaga ega bо‘lamiz. Olingan (7) 2
y chiziqlar oilasining differensial tenglamasidir.
Endi quyidagi geometrik masalani qaraylik. Agar (5) differensial tenglama vositasida qandaydir chiziqlar oilasi berilgan bо‘lsa, bu oilaga tegishli har bir chiziqni berilgan burchak ostida kesib о‘tuvchi chiziqlarni (chiziqlar oilasini)
О x y topish masalasini qaraylik. Bunday chiziqlar oilasi mavjud bо‘lsa, ularni berilgan chiziqlar oilasiga izogonal chiziqlar (traektoriyalar) deb ataladi.
Ma’lumki ikkita chiziq orasidagi burchak sifatida ularning har biriga kesishishi nuqtasida о‘tkazilgan urinmalar orasidagi burchak qabul qilinadi. Berilgan oilaga tegishli chiziq urinmasining burchak kоeffitsienti y ekanligini bilamiz, agar izlanayotgan chiziq tenglamasini Y=
burchak kоeffitsienti Y dan iboratdir. Urinmalar orasidagi burchak , bu
urinmalarning Ox о‘qi bilan hosil qilgan burchaklarning ayirmasiga tengligidan y Y Y y k tg 1 bundan
y k k y Y 1 (14.3.5) ni e’tiborga olsak, izlanayotgan izogonal chiziqlar uchun ) , ( 1 ) , (
x kf k y x f y differensial tenglamani olamiz. Bu yerda k=tg bо‘lib, 0<
2 deb faraz qilinadi.
Agar 2 bо‘lsa, chiziqlar orasidagi burchak tо‘g‘ri bо‘lib, ular ortogonal chiziqlar (traektoriyalar) deb yuritiladi va bu holda Y =- y 1 bо‘lishini e’toborga olsak, izlanayotgan ortogonal chiziqlar (troektoriyalar) tenglamasi ) ,
1 Y x f Y
(8)
dan iborat bо‘ladi.
Masalan, (7) differensial tenglama bilan aniqlangan chiziqlar oilasiga ortogonal bо‘lgan chiziqlar (traektoriyalar)ni topaylik. Buning uchun (8) tenglamani (7) ni e’tiborga olgan holda yozamiz: y x y 2
Buni yechib, 1 2 2 2
y x ni olamiz, bu yerda c 1 ixtiyoriy musbat о‘zgarmas sondir. Demak, y=cx 2 parabolalar oilasiga 1 2
2 c y x ellipslar oilasi ortogonal troektoriyalarni tashkil qilar ekan, bu yerda R c va
c 1 bir-biriga bog‘liq bо‘lmagan ixtiyoriy о‘zgarmasdir (3-rasm).
Endi, (2) Koshi masalasi yechimini mavjudligi va yagonaligi masalasini qarayamiz. Download 390.15 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: |
ma'muriyatiga murojaat qiling